Однокристальный спектрометр

, СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ РЕСПУБЛИН 9) (И 4 С 01 Т 1/3 САНИЕ ИЗОБРЕ ЕН те криминей бретение относи те чение производительности труда пу м введения многомерного анализа.1На фиг, 1 изображена блок-схема спектрометра; на фиг2 - осциллограм мы выходных сигналов в соответствии с блок-схемой спектрометра; на фиг, 3 схема распада радиоактивного нуклида, исследуемого на присутствие метастабильных состояний; на фиг. 4 - физические спектры гамма-излучения, полуся к регучения,тции диоактивног к ядерной сзначено для ния времени и ч сти трометрии предредскол новременного о зни и энергии ких метастабиль коживущих радио состоянииивных изот коро пах. Ц функь изоб ональн ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЙМПРИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Объединенный институт ядерных исследований(56) Морозов В,А. и Муминов Т,М, Сцинтилляционный однокристальный временной спектрометр, -Приб; и техн. эксп., 1973, Р 1, с. 179.Аликов В.А Ваврыщук Я., Лизурей Г.И. и др, Комплекс устано измерения времен жизни возбуждю/ состояний ядер в диапазоне 10 Препринт ОИЯМ, Р 13-109 11, Дубна, 1977.(54) ОДНОКРИСТАЛЬНЫЙ СПЕКТРОМЕТР (57) Изобретение относится к регистрации радиоактивного излучения, в частности к ядерной спектрометрии, и предназначено для одновременного оп- ределения времени жизни и энергии нескольких метастабильных состояний в короткоживущих радиоактивных изотопах. Цель изобретения - расширение ения - расширениевозможностей и увелифункциональных возможностей и повышение производительности труда путемвведения многомерного анализа. Устройство содержит детектор гаммачения, обладающий высоким временразрешением, а также амплитудным разрешением (в приведенном примере -сцинтилляционный пластический), дисы верхнего и нижнего уро две линии задержки, схему совпадений, время-амплитудный преобразователь, линейную схему пропускания иблок обработки. Детектор регистрирует одновременно все гамма-кванты,возникающие от распада радиоактивногоизотопа, спектр гамма-квантов делитсдискриминаторами на две части, соответствующие импульсы поступают насхему совпадений. Для каждого актасовпадений в память блока обработкизаписываются энергия одного из квантов и время между их регистрацией,Дальнейшей обработкой определяютсявремя жизни, энергия и интенсивностьодновременно нескольких метастабильных состояний. 4 ил, 3 1513407 чаемые на сцинтилляционном спектрометре с использованием пластического сцинтиллятора;Схема устройства спектраметра (фиг, 1) содержит сцинтилляционный или полупроводниковый детектор, ионизационный детектор или любой другой детектор 1, верхний диФференциальный дискриминатор 2, нижний дифференци" альных дискриминатор 3, схему 4 совпадений, стоповую линию 5 задержки, линию 6 задержки, линейную схему 7 пропускания, время-амплитудный преобразователь 8, блок 9 обработки, явля ющийся стандартным блоком и включающий крейт 10, содержащий стандартные амплитудно-цифровые преобразователи (кодировщики) 11 и 12, годоскоп 13, стандартный блок 14 связи с ЭВИ. 20На фиг, 1 позициям 15 - 22, обозначенным точками, соответствуют эпюры, представленные на фиг, 2На фиг, 3 позициями 23 - 27 обозначены гамма-переходы в схеме распа да исследуемого радиоактивного нукли- ДЯ фНа фиг, 4 позициями 28 - 33. обозначены физические спектры, получаемые на спектрометре, а позициям 3 - 30 27 соответствуют гамма-переходы схемы распада (фиг, 3).Конструктивно элементы устройства расположены в порядке, определяемом схемой их соединения: сцинтилляционный детектор 1, расположенный в месте детектирования радиоактивного излучения, соединен кабелем с дискриминаторами 2 и 3 и линией б задержки. Остальные блоки электроники также соединены между собой согласно схеме(фиг. 1) кабелями, Все блоки электроники находятся в стойке электроннойаппаратуры.Спектрометр работает следующим об разом.При облучении детектора гамма, бета или любым другим видом изЛучения от радиоактивного препарата возникают импульсы, коррелированные во времени мгновенные совпадения и задержанные совпадения, обусловленные соответствующими метастабильными состояниями. В зависимости от типа используемого детектора диапазон измеряемых времен лежит в пределах от 510 с и до нескольких микросекунд. Импульсы, образуемые в пластическом сцинтилляторе (время высвечивания не более 1,5 нс) сцинтилляционного детектора с фотоэлектронного умножителя 1 (время нарастания фронта ( 2 нс), поступают на входы дифференциальных дискриминаторов 2 и 3 (мертвое время дифференциальных дискриминаторов "- 20 нс) и через линию 6 задержки на импульсный вход линейной схемы 7 пропуска-, ния, основная задача которой заключается в преобразовании коротких амплитудных импульсов со сцинтилляционного детектора (С импульса - / нс) в длинные импульсы (с =1 мкс), коточрые поступают на вход блока обработки. Линия 6 задержки необходима для временного согласования сигнала управления, поступающего со схемы 4 совпадений, и задержанного амплитудного сигнала с выхода сцинтилляционнога детектора. Импульсы с выходов дискриминаторов 2 и 3 поступают на входы схемы 4 совпадений, а также с дискриминатора 3 нижнего порога через стоповую линию 5 задержки импульсы поступают на вход "Стоп" время-амплитудного преобразователя 8, Основное,:. назначение схемы совпадений - выделить сигналы, совпадающие в пределах разрешающего времени схемы совпаде-ний, а также уменьшить импульсную загрузку по входу "Старт" время-амплитудного преобразователя. Если импульсы совпали, то схема совпадений выдает импульс, который поступает на вход "Старт" преобразователя время-амплитуда. Этот сигнал также поступает на управляющий вход линейной схемы 7 пропускания, которая работает в режиме внешнего управления, Короткий сигнал со сцинтилляционного детектора через линию 6 задержки поступает на сигнальный вход линейной схемы 7 прапускания и при наличии сигнала на управляющем входе линейной схемы 7 пропускания проходит на выхоД схемы 7. Таким образом, на выходе схемы 8 имеется спектр электрических импульсов, отражающих временное распределение гамма-квантов, испускаемых иэ радиоактивного источника, а на выходе схемы 7 - спектр электрических импульсов, отражающих энергетическое распределение гамма-квантов, испускаемых радиоактивным нуклидом и связанных с метастабильными состояними в ядре, Таким образом, при излучении радиоактивного нуклида на предлагаембм спектрометре метастабильные сос 1513407 6тояния ядра в отличие от известногохарактеризуются, кроме временногоспектра, также энергетическим спектром, т,е, гамма-кванты, каких зкергий, связаны с разрядкой метастабильных состояний,Временной и энергетический спектры импульсов подаются на устройство9 обработки, амплитудно-циФровые преобразователи 11 и 12, находящиеся вкрейте 10, преобразуют амплитудныераспределения в цифровые коды, которые через магистраль крейта 10 с помощью блока 14 связи крейта с ЭВМ передаются в ЗВМ и записываются на магнитную ленту двоичным кодом в видешестнадцати разрядных слоев. Каждыйфакт совпадений, т.е. каждое событие,сопровождается наличием информации 20в двух блоках 11 и 12 устройства обработки. Чтобы разделить регистрируемые события, т.е. разделить пары словдруг от друга при записи на магнитнуюленту, одновременно с записью информации с кодировщиков, также списывается постоянный код с годоскопа 13,который и служит границей, разделяющей события, записанные на магнитнуюленту ЭВМ, Скорость считывания информации через интерфейсный блок 14 равна 5 акс на одно шестнадцатиразрядноеслово, т,е, на каждый блок 11 и 12.Кодировщики 11 и 12 кодируют физическую информацию в двенадцати разрядах,в остальные четыре разряда заноситсяинформация, позволяющая отличить временной кодировщик - блок 12 от энергетического - блок 11 в процессе сортировки и обработки информации после 40эксперимента, Максимальное мертвоевремя кодировщиков составляет 40 мкс.Так как информация из крейта передается по три слова, то время считывания равно 5 мкс х 3 = 15 мкс. Вместе 45с мертвым временем кодировщиков этомертвое время составляет 60 мкс.Рассмотрим импульсные диаграммы15-22 (фиг. 2), отражающие работуспектрометра, На осциллограммах 50(фиг. 2) показаны внутренние задержки блоков, обусловленные прохождениеми преобразованием сигналов в блоках.Задержки в дифференциальных дискриминаторах (фиг. 2, позиции 16 и 17) ь 5обозначены как б г:,ис . Для однотипных дискриминаторов они равны. Задержка схемы совпадений и дискриминаторовравна Ас(фиг. 2, позиция 18), На позиции 15 (Фиг, 2) показаны два сигнала, поступившие в пределах разрешающего времени схемы совпадений с выхода сцинтилляционного детектора, На позициях 16 и 17 показано, что на выходах верхнего 2 и нижнего 3 дифференциальных дискриминаторов возникли два логических коротких сигнала. Они поступили на входы схемы 4 совпадений и схема 4, разрешающее время которой равно г., вьдала сигнал (позиция 18). Сигнал с выхода схемы совпадений должен соответствовать или быть несколько больше длительностианализируемого амплитудного сигнала,Зтот импульс подается на вход "Старт"время-амплитудного преобразователя.Йа позиции 19 показано, что сигналс нижнего дифференциального дискриминатора 3 через линию 5 задержки блока величиной Т подается на вход "Стоп" схемы 8. На позиции 20 показан сигнал со схемы 8, амплитуда которого линейно зависит от временногс интервала между стартовым и стоповым импульсами.На позиции 21 показано, как работает блок 6 (фиг, 1), который является линией задержки. Величина задержки блока 6 должна быть: г., где Ьс - задержка схемы совпадений и дифференциальных дискриминаторов (фиг, 2, позиция 18), На позиции 22 (Фиг, 2) показано, как происходит линейное пропускание задержанного амплитудного сигнала блоком 7 (фиг1) . Разрешающее время схемы совпадений выбирается из физических соображений, оно должно быть не менее Зг где- период полураспада метастабильног о состояния, т,е.с3," (Фиг. 2, позиция 15).Физическая задача, для решения которой предназначен спектрометр, заключается в следующем, Необходимо произвести поиск и идентификацию наносекундных и микросекундных изомеров (метастабильных состояний) в коротко- живущих радиоактивных изотопах и определить энергию уровня, с которого идет задержанное излучение. В ходе эксперимента на предлагаемом спектрометре анализируется изменение скорости счета совпадений во времени в зависимости от энергии излучений, вьделяемых в каналах спектрометра дискриминаторами. Вьделяя с помощью дискриминаторов спектрометра энергетичес 151340кий интервал ядерного излучения в стартовом и стоповом каналах в зависимости от наличия в изучаемом радиоактивном нуклиде метастабильных сос 5 тояний, получают сумму кривых задержанных совпадений (КЗС) .На схеме распада радиоактивного нуклида (Фиг, 3), исследуемого на присутствие метастабильных состояний, 10 позициями 23 - 27 обозначены пять гамма-переходов в ядре. Допустим, что в схеме распада радиоактивного нуклида имеются два метастабильных состояния с периодомполураспада 6, и 6, при чемС, ,Спектр гамма-излучения радиоактивного Иуклида при регистрации на сцинтилляционном детекторе с пластическим сцинтиллятором схематично представлен и на Фиг, 4 (позиция 28), где наблюдаются соответственно пять перегибов, соответствующих краям комптоновских распределений гамма-переходов. Данный спектр наблюдается в точке, обозначенной позицией 15, 25 Волнистой линией в гамма-спектре по 1 казаны нижняя часть спектра, выделяемая нижним дифференциальным дискрими" натором - блок 3, и верхняя часть спектра, выделяемая верхним дифферен циальным дискриминатором - блок 2 (фиг 1), Далее показан спектр задержанных совпадений (фиг. 4, позиция 29), который получается на выходе схемы 7 (фиг. 1), т,е, на выходе линейных ворот, управляемых схемой совпадений - блок 4, Так как в стоповом канале стоит нижний дифференциальный дискриминатор, то спектр задержанных совпадений (фиг, 4, позиция 29) нахо- А 0 дится в пределах окна, выделяемого нижним дифференциальным дискриминатором, а хвост кривой задержанных совпадений тянется влево (фиг. 4, позиция 30),45В зависимости от физической задачи в стоповом канале может выделяться вместо нижней верхняя часть энергетического спектра, а в стартовом канале блок 2 (фиг. 1) может выделять нижнюю часть энергетического спектра. Это зависит от того, какие гамма-лучи - низкоэнергетические или высокоэнергетические, заряжают и разряжают мета- стабильное состояние, Этот вопрос ре 55 шается до эксперимента, исходя из того, какие по энергии гамма-переходы заряжают и разряжают метастабильные состояния в ядре. В ходе опыта необходимо получить стоповые задержанные гамма-лучи, разряжающие это изомерное состояние, которые могут указать высоту метастабильного состоянияв схеме распада. Этими соображениямиопределяется выбор нижнего или верхнего дифференциального дискриминаторав стоповом каналеВ спектре задержанных совпадений(фиг. 4, позиция 29) наблюдают два задержанных гамма-перехода 23 и 24(Фиг. 3), идущих с первого и второгоуровней с периодами полураспадаи. Далее (фиг, 4, позиция 30) показан временной спектр (или КЗС), ко"торый состоит из трех областей 1-111,Так как ьь, то спад у экспонентыиз области 11 затянут более, чем уэкспоненты из области 1,Области 1 на КЗС соответствуетпозиция 3 1 (фиг. 4), на которой видночетко выраженный переход 23, идущийс первого уровня в схеме распада(фиг . 3) . А так как в область 1 даетвклад и область 11, то на позиции 3 1просматривается и переход 24, идущийв схеме распада с второго уровня,Аналогичным образом области 11 наКЗС соответствует позиция 32 (Фиг, 4),ъна которой видно ярко выраженный переход .24, идущий с второго уровня всхеме распада (фиг, 3), Так как в об,ласть 11 дает вклад и область 1, тона позиции 32 просматриваетсяи переход 23, идущий с первого уровня, Чемдальше друг от друга отодвигают об -ласти 1 и 11 на КЗС (фиг. 4, позиция 30), тем меньший вклад дает переход 24 на позиции 31 и переход 23на позиции 32 (фиг4), Области 111на КЗС соответствует спектр случайных совпадений (Фиг. 4, позиция 33),В спектре случайных совпадений соотношение интенсивностей гамма-переходов повторяет соотношение, котороеимеется в одиночном гамме-спектре(Фиг, 4, позиция 28), и в отличие отспектра задержанного гамма-излученияспектр гамма-излучения, соответствующего случайным совпадениям, существенно меньше по интенсивности,Таким образом, разложен спектр задержанных совпадений (фиг. 4, позиция 29), на составные части (позиции 31 - 33) в соответствии с областями 1-111 КЗС, и определены интенсивности переходов 1 (., ) и 11 (с),1 Оэнергетический сигнал, получаемый ирегистрируемый на энергетическом выходе спектрбметра.5При данной постановке экспериментасущественно сокращается время исследований и достигается независимостьокончательных выводов об энергии гамма-переходов, разряжающих метастабильные состояния, от изменений интенсивности пучка ускорителя (масс-сепаратора) при исследовании в режиме он-лайн(в линию) или от изменения активностирадиоактивного нуклида вследствие раслада при исследованиях в режиме офлайн,Формула изобретения Однокристальный спектрометр, содержащий сцинтилляционный детектор,выход. которого соединен с входом нижнего дифференциального дискриминатора, причем выход нижнего дифференциального дискриминатора через стоповуюлинию задержки соединен с входом"Стоп" преобразователя время-амплитуда, выход которого соединен с первымвходом блока обработки и является временным выходом спектрометра, о т л и-.ч а ю щ и й с я тем, что, с цельюрасширения функциональных возможностей и увеличения производительноститруда путем введения многомерного анализа, в спектрометр введены верхнийдифференциальный дискриминатор, схемасовпадений, линейная схема пропусканияи линия задержки, причем выход сцинтилляционного детектора соединен свходом верхнего дифференциального дискриминатора, а выходы верхнего и ниж -него дифференциальных дискриминаторовсоединены с входами схемы совпадений,выход которой соединен с входом"Старт" преобразователя время-амплитуда и входом управления линейнойсхемы пропускания, сигнальный вход которой через линию задержки соединенс выходом сцинтилляционного детектора,а выход линейной схемы пропусканиясоединен с вторым входом блока обработки и является энергетическим выходом спектрометра,9 1513407Алгоритм обработки информации, записанной в ходе эксперимента, заклю"чается в следующем. Сортируя стандартным путем информацию, записаннуюна магнитную ленту, получают спектрзадержанных совпадений (позиция 29)и временной спектр, т.е. КЗС (пози"ция 30). Эти спектры получаютя в результате выборки с ленты информации, 1 Опринадлежащей конкретно определенному кодировщику - блоку 11 или 12(фиг. 1). Далее на временном спектревыделяются окна 1 - 111. Следующаяпрограмма находит соответствие между 15этими окнами во временном спектре иэнергетическим спектром задержанныхсовпадений, т,енаходит, какие переходы в энергетическом спектре соответствуют временным окнам, заданиым 20на временном спектре. В результатетакой обработки можно сказать, какаячасть энергетического спектра соответствует задержанным совпадениям,т.е. областям 1 и 11 (фиг. 4, позиции 31 и 32), и какая часть случайным совпадениям, т.е. области 111(фиг, 4, позиция 33). Уровень с периодом полураспада с, разряжается переходом 23 (позиция 3 1), а уровень с 30периодомполураспада- переходом24 (позиция 32),Таким образом, в ходе одного эксперимента получают без перестройки .аппаратуры всю информацию о задержанных совпадениях в ядре и, кроме того,информацию о том, какие переходы разряжают изомерные состояния, Технические преимущества созданного однокристального спектрометра по сравнению с 40известным однокристальным спектрометром, позволяющим измерять время жизниодного перехода и не дающим.возможности определять энергию. перехода,,разряжающего метастабильное состояние в одном эксперименте, заключаются в следующем.Одновременно с регистрацией временного распределения (КЗС) регистрируется энергетическая информация,относящаяся к разрядке метастабильного состояния ядра, так как каждому акту временных совпадений соответствует1513407Составитель М. ДаниловРедактор И. Булла Техред, Л.Олийнык КорректоалийЗаказ 6077/46 Тираж 484 ПодписноеВНИКЛИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5роизводственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина,10